Роль процессов нитрификации и денитрификации в экологических последствиях применения азотных удобрений.

Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus и Nitrosospirila. Единственный микроорганизм, детально изученный до настоящего времени, - Nitrosomonas europaea (имеют овальную, почти кокковидную форму клеток размером 0,6-1,0 X 0,9-2,0 мкм). Вторая фаза нитрификации вызывается представителями родов Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus. Nitrobacter имеют удлиненную, грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в виде клювика. Размножение Nitrobacter происходит путем почкования, причем дочерняя клетка бывает обычно подвижна, так как имеет один латерально расположенный жгутик. Нитрифицирующие бактерии обычно культивируют на простых минеральных средах, содержащих аммиак или нитриты, служащих окисляемыми субстратами, и углекислоту, являющуюся источником углерода. В качестве источников азота эти организмы используют аммиак, гидроксиламин и нитриты. Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 6,0 – 8,6, при оптимуме 7,0-7,5 Нитрификаторы являются облигатными аэробами. С помощью кислорода они окисляют аммиак в азотистую кислоту (первая фаза нитрификации), а затем азотистую кислоту в азотную (вторая фаза нитрификации). Предполагают, что процесс нитрификации происходит в несколько этапов. Первым продуктом окисления аммиака является гидроксиламин, который затем превращается в гипонитрит, гипонитрит - в окись азота и наконец в нитрит. [6]
В дальнейшем нитрит образует комплекс NО2- * Н2О, который далее окисляется до NОз-. Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговоро­те азота в природе, имеет как положительные, так и отрицатель­ные стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитрат­ную способствует обеднению почвы азотом, поскольку нитраты легко вымываются из почвы. В то же время нитраты - хорошо используемый растениями источник азота. Связанное с нитрифи­кацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следова­тельно, доступность некоторых жизненно необходимых элемен­тов, в первую очередь фосфора и железа.[4]
Нитрификация - это биологическое аэробное окисление аммиака, происходящее в два этапа: до нитритов и затем до нитратов. Денитрификация - это микробиологический процесс, в ходе которого нитрат восстанавливается при отсутствии кислорода, чтобы на конечном этапе образовать молекулярный азот.
Автотрофные бактерии (например, нитрозомонас) или гетеротрофные бактерии (например, нитробактер) используют различные состояния кислородных (аэробных) и бескислородных зон очистки сточных вод, чтобы преобразовывать аммиак, нитрат и нитрат в газообразный азот. Среди прочих важных факторов, таких как щелочность, регулирование кислорода имеет большое значение с точки зрения нитрификации. Во время этого процесса необходимо отслеживать и регулировать уровень растворенного кислорода. Эффективность денитрификации определяется отсутствием растворенного кислорода и соответствующим количеством легко разлагаемого углерода.[10]
Нитриты и нитраты, входящие в круговорот азота в окружающей среде, являются биогенными элементами и очень важным источником азота для растений и сложных организмов, которые их потребляют. Нитрат-ионы, состоящие из кислорода и азота, естественным образом образуются в почве. Поскольку нитриты легко окисляются до нитратов, они часто находятся в поверхностных водах.
В почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются в окислы азота или молекулярный азот. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной - химическое восстановление нитратов. Прямая, или биологическая, денитрификация, в свою очередь, расчленяется на процессы двух типов - ассимиляторную и диссимиляторную денитрификации.
При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до NH3, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К указанной денитрификации способны растения и многие микроорганизмы. В процессах диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Эти энергетические процессы называются процессами нитратного дыхания. [3]
Преобладающими родами денитрификаторов в почве являются Pseudomonas, Paracoccus. Помимо отмеченных мезофильных микроорганизмов, денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55-65° С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся, к роду Bacillus. Денитрифицирующие бактерии используют нитраты, в качестве акцептора водорода при отсутствии О2 для окисления органических веществ. При нитратном дыхании органические вещества полностью окисляются до СО2 и Н2О. Таким образом, денитрификаторы растут аэробно без нитратов или анаэробно в их присутствии. Большинство органических субстратов, использующихся в аэробном окислении, может быть потреблено при отсутствии О2, но с нитратами в среде. [1]
Существование денитрификаторов в анаэробных условиях обеспечивают не только нитраты, но и нитриты. В зависимости от вида микроорганизма, осуществляющего диссимиляторную денитрификацию нитратов или нитритов, конечными продуктами этих процессов являются N2, N2O, NO. Один из путей снижения потерь азота почвы и удобрения вследствие денитрификации и вымывания нитратов - применение ингибиторов нитрификации. Эти препараты тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме.
При правильном мониторинге и поддержании концентраций нитриты и нитраты играют важную роль во многих программах мониторинга качества промышленной и муниципальной воды:
Нитриты часто используются в качестве ингибиторов коррозии в промышленных технологических водах и градирнях.
В пищевой промышленности соединения с нитритами используются в качестве консервирующего средства.
Многие гранулированные промышленные удобрения содержат азот в форме нитратов.[7]